气体开关对多级脉冲形成线输出波形的影响

为了提高脉冲形成线的输出耐压, 采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠, 可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术, 研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则, 分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响, 并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明：开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小, 并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件, 从而影响系统的绝缘设计;开关电感会使脉冲前沿变缓, 平顶宽度变窄, 后沿存在扭曲变形, 存在拖尾现象;开关电阻的存在会降低输出效率。     

气体开关对多级脉冲形成线输出波形的影响

为了提高脉冲形成线的输出耐压,采用组叠的方式将多个单级脉冲形成线进行串叠,可实现脉冲功率系统的小型化设计。基于多级薄膜介质线脉冲形成叠加技术,研究了气体火花间隙开关对多级脉冲形成线输出波形的影响。介绍了开关的设计原则,分析了开关抖动、开关电感、开关电阻对多级脉冲形成线输出特性的影响,并且从实验上研究了开关的导通特性对脉冲形成线输出波形的影响。实验结果表明:开关抖动会引起脉冲输出波形平顶时间减小,并且开关触发抖动会引起绝缘介质上的过电压条件,从而影响系统的绝缘设计;开关电感会使脉冲前沿变缓,平顶宽度变窄,后沿存在扭曲变形,存在拖尾现象;开关电阻的存在会降低输出效率。     

气体开关前沿陡化的实验研究

气体开关是脉冲功率技术中广泛应用的关键部件之一,高功率、高性能气体开关的技术研究及设计具有重要意义,陡化前沿是开关技术研究的重要内容。分析了气体开关的击穿机理和击穿通道的分布规律。对气体开关充分老练,开关击穿点和击穿通道将相对稳定,实验研究了开关间距和电场对脉冲前沿的影响。击穿电场较低时,减小开关间距有利于陡化脉冲前沿;击穿电场较大时（大于180 kV/cm）,开关间隙（电感）对输出脉冲前沿的影响减弱,气体开关的击穿电场成为影响输出脉冲前沿的关键因素。研究结果表明,增大开关的击穿场强,是陡化开关脉冲前沿的有效途径。     

气体火花开关重复频率特性的实验研究

气体火花开关在重复频率脉冲功率技术中具有广泛的应用,影响气体火花开关绝缘恢复与重复频率工作性能的因素众多。实验研究了气体火花开关的能量沉积和气压对开关重复频率指标的影响,给出了气体火花开关绝缘恢复时间与气压及开关导通功率的关系式,初步分析了气体开关击穿通道在自然散热(不吹气)条件下,重复频率稳定工作的最高功率与重复频率指标、气压的关系。     

气体火花开关重复频率特性的实验研究

气体火花开关在重复频率脉冲功率技术中具有广泛的应用,影响气体火花开关绝缘恢复与重复频率工作性能的因素众多。实验研究了气体火花开关的能量沉积和气压对开关重复频率指标的影响,给出了气体火花开关绝缘恢复时间与气压及开关导通功率的关系式,初步分析了气体开关击穿通道在自然散热（不吹气）条件下,重复频率稳定工作的最高功率与重复频率指标、气压的关系。     

三电极气体火花开关导通电流及其电磁辐射特性

针对三电极气体火花开关工作时产生的强电磁辐射,首先对开关的导通电流及其电磁辐射进行了理论分析,利用CST电磁仿真软件对气体火花开关开展了静电场仿真研究,分析了开关短程导通时的击穿场强;其次对三电极气体火花开关的导通电流和远场辐射场强进行了实验测量,对实验结果进行分析和总结;最后采用电磁屏蔽方法对开关的强电磁辐射进行了有效抑制。研究结果可以为有关脉冲功率装置的电磁辐射及防护提供参考和借鉴。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律：采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律:采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

高功率宽谱开关振荡器

采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线,开展了高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究。设计振荡器工作在200 MHz,低阻抗1/4波长同轴传输线与传输线一端的环形多通道气体火花开关构成谐振器,耦合器由集中电容和分布电感构成,实现宽谱微波的能量提取。通过数值模拟研究了振荡器的振荡及耦合输出过程,分析了高压脉冲馈入方式、谐振器阻抗特性及开关齿槽结构对环形开关导通特性的影响。数值模拟和实验结果证明,采用直馈方式、高阻结构和齿槽结构有利于形成开关多通道导通,并提高开关导通的稳定性。在输出电压为500 kV的Marx脉冲功率源平台上构建了高功率宽谱微波产生实验装置,实验得到的宽谱微波振荡频率为195 MHz,辐射因子约150 kV,频谱带宽约30%。     

高功率宽谱开关振荡器

采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线,开展了高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究。设计振荡器工作在200 MHz,低阻抗1/4波长同轴传输线与传输线一端的环形多通道气体火花开关构成谐振器,耦合器由集中电容和分布电感构成,实现宽谱微波的能量提取。通过数值模拟研究了振荡器的振荡及耦合输出过程,分析了高压脉冲馈入方式、谐振器阻抗特性及开关齿槽结构对环形开关导通特性的影响。数值模拟和实验结果证明,采用直馈方式、高阻结构和齿槽结构有利于形成开关多通道导通,并提高开关导通的稳定性。在输出电压为500 kV的Marx脉冲功率源平台上构建了高功率宽谱微波产生实验装置,实验得到的宽谱微波振荡频率为195 MHz,辐射因子约150 kV,频谱带宽约30%。     

小型场畸变气体开关的击穿抖动特性

基于高功率重复频率脉冲功率源的应用需求,研制了一种三电极场畸变结构气体火花间隙开关,并开展了重复频率条件下的触发特性研究。实验研究了场畸变火花间隙开关的触发特性随重复频率、气体成分、工作压强和工作系数的变化关系,计算了气体开关的触发击穿时延和抖动参数,分析了影响开关触发特性的主要因素。实验结果表明：气体开关触发击穿的抖动随着重复频率增加而增大;填充气体中SF₆和N₂体积比1∶1时,混合气体的综合性能较好;工作系数主要影响开关第二放电火花间隙(间隙2)的击穿抖动。     

氮气火花开关击穿机制的理论和数值研究

三电极气体火花开关带有触发极,相比两电极开关,其开关导通的可控性较高,工作电压较低且抖动小,所以气体火花开关中三电极开关的应用较为广泛.本文针对大气压氮气环境下的两电极开关和三电极开关的击穿机制进行了理论与数值模拟研究.通过理论和数值计算发现,对于平板-平板的两电极开关来说,低电压下(小于6.3 kV)无法产生流注击穿,高电压下(大于6.3 kV)会先形成由阴极到阳极的负流注,然后再形成由阳极向阴极的正流注.而在三电极开关的击穿过程中,首先会在触发极和绝缘体之间发生击穿,然后这个通道不断向阴阳极扩展,最终形成阴阳极之间的电弧通道.在本文的计算工况下,如果需要阴极-触发极、阳极-触发极同时击穿的话,其阴极-触发极之间的外加电压需要大于1.18 kV,而阳极-触发极之间的外加电压需要大于3 kV.当考虑触发极的场致发射后,该击穿阈值可以显著降低.     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。     

等离子体喷射触发气体开关多通道放电特性

为了能够形成稳定的多通道放电,研制了一种等离子体喷射触发气体开关。在触发电极的内部嵌入多个微型激励腔以形成多通道等离子体喷射,从而在主间隙中诱导多通道放电。研究了触发电路连接方式、触发能量和极性对多通道等离子体喷射的影响,比较了开关在两种工作模式下各间隙放电通道数量随工作系数的变化规律。实验结果表明：采用触发电路II连接方式,触发电极的多通道放电效果更好;高触发能量、负极性和低气压条件有利于形成多通道等离子体喷射;当开关运行在工作模式Ⅱ,且在较高工作系数时,具有更好的多通道放电特性。     

环形电极单间隙电晕放电伏安特性

基于用于直线变压器型驱动源的多间隙气体开关结构,提出一种环形放电间隙与电晕针并联的气体火花间隙。通过测量间隙耐压过程中电晕放电的伏安特性,研究了气体介质、气压、电晕极性、电晕针长度以及针尖对应电极结构等因素对伏安特性的影响。结果表明：以空气为绝缘气体,负极性电晕可获得较稳定的伏安特性;改变电晕针长度和针尖对应电极结构可方便地实现对电晕放电伏安特性的调节以满足开关要求。     

环形电极单间隙电晕放电伏安特性

基于用于直线变压器型驱动源的多间隙气体开关结构,提出一种环形放电间隙与电晕针并联的气体火花间隙。通过测量间隙耐压过程中电晕放电的伏安特性,研究了气体介质、气压、电晕极性、电晕针长度以及针尖对应电极结构等因素对伏安特性的影响。结果表明:以空气为绝缘气体,负极性电晕可获得较稳定的伏安特性;改变电晕针长度和针尖对应电极结构可方便地实现对电晕放电伏安特性的调节以满足开关要求。     

长寿命同轴三电极气体火花开关设计和实验

设计了一种新型的同轴三电极结构,仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向,减小对开关绝缘结构内壁的污染,可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下（40 kV/20 kA/0.1 Hz）进行了寿命考核实验,目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次,开关工作稳定,自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。     

气体火花开关放电通道半径及电阻测量

搭建低电感实验回路平台,利用高速分幅相机拍摄火花开关放电通道发展过程,分析照片光强和放电通道半径的对应关系,根据图片光强测定不同时刻放电通道的半径,提出适合实验条件的放电通道半径计算公式。依据高压探头和Pearson线圈测量得到的放电通道电压和电流波形,计算放电通道的电阻,再利用测量的放电通道半径进而得到其电导率。放电通道半径随着放电通道的发展逐渐增大,有饱和的趋势,放电电流2 kA时电流峰值处放电通道半径约0.6 mm;随着放电电流峰值的增大,放电通道电阻下降速率增大,达到稳定值所需的时间减小,稳定值也随之减小,其电阻稳定值最小能达到0.08 。     

气体火花开关放电通道半径及电阻测量

搭建低电感实验回路平台,利用高速分幅相机拍摄火花开关放电通道发展过程,分析照片光强和放电通道半径的对应关系,根据图片光强测定不同时刻放电通道的半径,提出适合实验条件的放电通道半径计算公式。依据高压探头和Pearson线圈测量得到的放电通道电压和电流波形,计算放电通道的电阻,再利用测量的放电通道半径进而得到其电导率。放电通道半径随着放电通道的发展逐渐增大,有饱和的趋势,放电电流2 kA时电流峰值处放电通道半径约0.6 mm;随着放电电流峰值的增大,放电通道电阻下降速率增大,达到稳定值所需的时间减小,稳定值也随之减小,其电阻稳定值最小能达到0.08 。     

纳秒脉冲电压下同轴场畸变开关多通道放电特性

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明：一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6//Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。